对于固态存储器,其存储容量可以很大,往往需要一款文件系统对存储器用户数据进行组织文件的管理。它对文件存储器空间进行组织和分配,负责文件的存储并对存入的文件进行保护和检索。在嵌入式系统中,往往需要采用windows兼容的文件系统,像相机的照片、视频监控、语音产品等,很多都需要从windows计算机上提取资源或在windows计算机上进一步处理。Fatfs由于其开源免费,支持fat32,受到了广泛的应用,笔者此处就s3c2416移植Fatfs,对sd卡进行读写访问作一个简单的介绍。

1、Fatfs概述

Fatfs是由日本工程师ChaN所编写的fat文件系统模块,从06年发布第一个Fatfs版本开始,作者就从未停止维护和更新。Fatfs的编写遵循ANSI C,并且完全与磁盘I/O层分开。它不依赖于硬件架构,代码和工作区占用空间小,使之可以嵌入到各个低成本的微控制器中,如AVR、8051、PIC、ARM、Z80、68K等。

2、代码准备

Fatfs源码,请读者自行从Fatfs官网 http://elm-chan.org/fsw/ff/00index_e.html 下载最新的源码。
s3c2416启动代码工程,启动代码是s3c2416/50/51这系列arm9芯片在运行用户c代码main函数之前必须先运行的代码,启动代码支持sd、Nand启动,为用户设置系统时钟,初始化内存,自动识别启动设备并搬移代码到RAM,MMU映射,中断管理等,用户只需专注于用c开发其它功能函数即可。关于启动代码以及启动代码的实现过程,笔者前面章节有非常详细的介绍。此处以GCC下移植Fatfs为讲解,下载”GCC启动代码工程应用实例”中的启动代码源码即可。如果在MDK下开发,下载”MDK启动代码工程应用实例”中的启动代码源码。

用户代码,用c开发的所有功能代码,其中,用户代码入口为main()函数,在这里需要实现sd卡驱动模块等。

3. 工程搭建

在linux操作系统下任一路径下新建一个Fatfs_GCC的工程目录,该目录下新建Fatfs目录,下载Fatfs最新源码并解压,把src目录内容全部拷贝到Fatfs目录下。

把启用代码目录start_code拷贝到Fatfs_GCC目录下,这部分代码无需任何的修改。并保留其中的Makefile这些文件,按照Makefile的模板添加各个目录的Makefile。GCC启动代码下的工程管理Makefile提取自uboot,可以方便地增加源代码以及代码目录。

在Fatfs_GCC目录下新建apps目录,用来保存应用相关的源码以及各个模块驱动。

4. Fatfs移植

Fatfs模块完全独立于磁盘I/O层,因此底层磁盘I/O访问并不属于Fatfs的模块部分,用户必须自己实现这部分用来访问存储设备。通常在diskio.c中实现这六个函数disk_initialize()、disk_status()、disk_read()、disk_wirte()、disk_ioctl()、get_fattime()即可。如果使能了OS相关的特性,则还需额外实现进程/内存函数。sd卡底层驱动实现在前面的章节有详细的介绍,此处直接在Fatfs移植接口中调用sd驱动模块中的相关函数。

4.1. disk_initialize函数

初始化存储设备,若设备初始化成功,应清除STA_NOINIT这个标志返回。若初始化不成功,应置位STA_NOINIT标志再返回。如果在初始化时,未检测到卡,可设置STA_NODISK标志表明无卡,检测到写保护,可设置STA_PROTECT标志表明写保护。

static DSTATUS State = STA_NOINIT;

DSTATUS disk_initialize (

    BYTE pdrv               /* Physical drive nmuber (0..) */

)

{

    if (pdrv != 0) {

        return STA_NOINIT; // 仅支持driver0

    }



    if (!Hsmmc_Init()) { // 调用sd卡初始化

        State &= ~STA_NOINIT; // 初始化成功

    } else {

        State |= STA_NOINIT;

    }

    return State;

}

4.2. disk_status函数

获取设备的状态,返回STA_NOINIT、STA_NODISK、STA_PROTECT这三个标志的组合。磁盘设备的状态随时都可能发生变化,例如初始化后的sd卡在某一时刻被拔出,此时无卡,Fatfs通过disk_status函数重新获知STA_NODISK无卡这一标志。

DSTATUS disk_status (

    BYTE pdrv       /* Physical drive nmuber (0..) */

)

{

    if (pdrv != 0) {

        return STA_NOINIT; // 仅支持driver0

    }

    return State;

}

4.3. disk_read函数

读取扇区,Fatfs通过该函数从磁盘某一扇区地址开始获取一块或多块扇区的数据,Fatfs最多支持一次性读写128个扇区的数据,通常磁盘都支持多块读、多块写,并且这样的读写性能远远好于分单块的读写。

DRESULT disk_read (

    BYTE pdrv,      /* Physical drive nmuber (0..) */

    BYTE *buff,     /* Data buffer to store read data */

    DWORD sector,   /* Sector address (LBA) */

    UINT count      /* Number of sectors to read (1..128) */

)

{

    if (pdrv || !count) {

        return RES_PARERR;

    }

    if (State & STA_NOINIT) {

        return RES_NOTRDY;

    }

    if (!Hsmmc_ReadBlock(buff, sector,count)) {

        return RES_OK; // 读取成功

    } else {

        return RES_ERROR; // 读取出错

    }

}

4.4. disk_wirte函数

写扇区,Fatfs通过该函数从磁盘某一扇区地址开始写入一块或多块扇区的数据。如果只读(FSREADONLY == 1),可以不实现该函数。

#if _USE_WRITE

DRESULT disk_write (

    BYTE pdrv,          /* Physical drive nmuber (0..) */

    const BYTE *buff,   /* Data to be written */

    DWORD sector,       /* Sector address (LBA) */

    UINT count          /* Number of sectors to write (1..128) */

)

{

    if (pdrv || !count) {

        return RES_PARERR;

    }

    if (State & STA_NOINIT) {

        return RES_NOTRDY;

    }

    if (State & STA_PROTECT) {

        return RES_WRPRT;

    }

    if (!Hsmmc_WriteBlock((unsignedchar *)buff, sector, count)) {

        return RES_OK; // 写成功

    } else {

        return RES_ERROR; // 写错误

    }

}

#endif

4.5. disk_ioctl函数

控制设备相关的功能,Fatfs使用5个设备独立的命令控制/获取设备特定的功能。

CTRL_SYNC:写同步,在关闭文件等操作时,如果磁盘I/O口层使用了写缓存,那么通知磁盘I/O口层把写缓存中的数据写回到磁盘中。对于没有写缓存,即每次disk_write均写入到磁盘中,无需处理该命令,只需返回RES_OK即可。在可写时FSREADONLY == 0,该命令才会被使用。

GET_SECTOR_COUNT:获取磁盘的总扇区数,在用f_mkfs()格式化文件系统,f_fdisk对磁盘分区时均会使用这个命令来获取磁盘的总扇区数,对于sd卡,通过CSD获取卡容量信息。在支持格式化文件系统或多分区的情况下(USEMKFS == 1 或 MULTIPARTITION== 1),该命令才会被使用。

GET_SECTOR_SIZE:获取磁盘一个扇区的字节数,有效值为512、1024、2048或4096。对于大部分的系统,所有内存卡,硬盘,通常返回扇区大小为512字节,但对于flash,一页可能为512字节,也可能为1k字节,2k字节,4k字节,需要根据具体的flash页大小进行配置。

GET_BLOCK_SIZE:以扇区为单位获取擦除块的大小。在用f_mkfs()格式化文件系统时,用来使数据区对齐到擦除块。例如,第一个擦除块往往用来保存系统信息等,真正的数据在第二个擦除块位置开始存放。该命令并不重要,可直接返回1表明1个扇区对齐。此处与原作者移植例程保持一致,对sd2.0版本卡,返回AU(可分配单元)的大小,sd1.0版本卡,返回擦除块大小。在USEMKFS == 1时,该命令才被使用。

CTRL_ERASE_SECTOR:擦除某一段扇区,对于flash,都是要先擦除才能正确写入,对于nor、nand flash,某一个文件不再使用时(例如删除或被覆盖),先发出这个命令强制设备擦除这个文件所在的空间区域,之后在disk_write无需再对flash进行擦除操作,因为每次文件不再使用时,都已经先擦除了这部分。对于sd卡等,这个命令没有任何用处,因为sd卡接收到块写命令均是先擦除再写。如果再开启这个命令USEERASE == 1,相当重复擦除。对于sd卡,建议设置USEERASE == 0,不使用这个命令。

#if _USE_IOCTL

DRESULT disk_ioctl (

    BYTE pdrv,      /* Physical drive nmuber (0..) */

    BYTE cmd,       /* Control code */

    void *buff      /* Buffer to send/receive control data */

)

{

    unsigned char CSD[16];

    unsigned charSdState[64];

    unsigned int c_size,c_size_multi, read_bl_len, sector_size, au_size;  

    DRESULT Result =RES_ERROR;



    if (pdrv) {

        return RES_PARERR;

    }

    if (State &STA_NOINIT) {

        return RES_NOTRDY;

    }

    switch (cmd) {

    case CTRL_SYNC:

        Result = RES_OK;// 写sd卡驱动函数确保了写完才返回,已写同步了

        break;

    case GET_SECTOR_COUNT:/* Get drive capacity in unit of sector (DWORD) */

        if(!Hsmmc_Get_CSD(CSD)) {

            if((CSD[15]>>6) == 1) { // CSD v2.00->SDHC卡

            c_size =((CSD[8]&0x3f) << 16) + (CSD[7]<<8) + CSD[6]; // [69:48]

        // 卡容量为字节(c_size+1)*512K byte,以1扇区512 byte字,卡的扇区数为

                *(DWORD*)buff = (c_size+1) << 10;

            } else { //CSD v1.0->sd V1.x, sd v2.00 standard

                read_bl_len= CSD[10] & 0xf; // [83:80]

                c_size_multi= ((CSD[6] & 0x3) << 1) +

((CSD[5] & 0x80) >> 7); // [49:47]

                c_size =((WORD)(CSD[9]&0x3) << 10) +

((WORD)CSD[8]<<2)+ (CSD[7]>>6); // [73:62]

                // 卡容量为字节(c_size+1)*2^(c_size_multi+2)*2^(read_bl_len)

                // 以1扇区 512 byte计,卡扇区数为

                *(DWORD*)buff = (c_size + 1) << (read_bl_len +

(c_size_multi + 2) - 9);

            }

            Result =RES_OK;           

        }

        break;

    case GET_SECTOR_SIZE :  /* Get sector size in unit of byte (WORD) */

        *(WORD *)buff =512;

        Result = RES_OK;

        break;

    case GET_BLOCK_SIZE:/* Get erase block size in unit of sector (DWORD) */

        if(!Hsmmc_Get_CSD(CSD)) {

            if((CSD[15]>>6) == 1) { // CSD v2.00, SDHC卡

// v2.00扇区大小等信息在CSD中不再有效,需从sd state获取这些信息

                if(!Hsmmc_GetSdState(SdState)) {

//Allocation Unit(AU)[431:428],SdState[0]保存的是状态的高位

                    au_size= (SdState[10] >> 4);

// 1au单位为16k,转化为512字节扇区数

                    *(DWORD*)buff = 16UL << au_size;  

                    Result= RES_OK;                   

                }          

            } else { //CSD v1.0,sd version 1.x, sd version 2.00 standard

            sector_size =((CSD[5] & 0x3f) << 1) + (CSD[4] >> 7); // [45:39]

// 擦除块大小为扇区大小*块长度(512为单位)

                *(DWORD*)buff = (sector_size + 1) << ((CSD[2] >> 6) - 1);

                Result =RES_OK;               

            }  

        }

        break; 



    caseCTRL_ERASE_SECTOR: /* Erase a block of sectors (used when _USE_ERASE == 1) */

        if (!Hsmmc_EraseBlock(((DWORD*)buff)[0], ((DWORD *)buff)[1])) {

            Result =RES_OK;

        }

        break; 



    default:

        break;

    }

    return Result;

}

#endif

4.6. get_fattime函数

用来获取当前RTC的时间,从1980年开始计算时间戳,用来记录文件的创建时间,修改时间等。如果觉得文件的时间记录无关紧要,可直接返回0。在只读系统中(FSREADONLY == 1),该函数不会被调用。

#if _USE_WRITE

DWORD get_fattime()

{

    RTC_Time Time;

    RTC_GetTime(&Time);        

    return (((Time.Year - 1980)<< 25) | (Time.Month << 21) |

            (Time.Day << 16) |(Time.Hour << 11) |

            (Time.Min << 5) |(Time.Sec << 1));

}

#endif

get_fattime函数需要用到RTC模块驱动,对于s3c2416,RTC驱动模块RTC.c的实现如下:

#include "s3c2416.h"

#include "RTC.h"



void RTC_GetTime(RTC_Time *pTime)

{

    rRTCCON |= (1 << 0);   

    pTime->Year = 2000 + ((rBCDYEAR& 0xf0) >> 4)*10 + (rBCDYEAR & 0xf);

    pTime->Month =((rBCDMON>>4) & 0x1)*10 + (rBCDMON & 0xf);

    pTime->Day =((rBCDDATE>>4) & 0x3)*10 + (rBCDDATE & 0xf);

    pTime->Week = (rBCDDAY &0x7) - 1; // Sunday = 0

    pTime->Hour =((rBCDHOUR>>4) & 0x3)*10 + (rBCDHOUR & 0xf);

    pTime->Min =((rBCDMIN>>4) & 0x7)*10 + (rBCDMIN & 0xf);

    pTime->Sec = ((rBCDSEC>>4)& 0x7)*10 + (rBCDSEC & 0xf);

    rRTCCON &= ~(1 << 0);

}



void RTC_SetTime(RTC_Time *pTime)

{

    rRTCCON = (1<<0); // Tick1hz

    rBCDYEAR =((pTime->Year%100/10) << 4 | (pTime->Year%100%10) << 0);

    rBCDMON = ((pTime->Month/10)<< 4) | ((pTime->Month%10) << 0);

    rBCDDATE = ((pTime->Day/10)<< 4) | ((pTime->Day%10) << 0);

    rBCDDAY = (pTime->Week+1); //Sunday = 0;

    rBCDHOUR = ((pTime->Hour/10)<< 4) | ((pTime->Hour%10) << 0);

    rBCDMIN = ((pTime->Min/10)<< 4) | ((pTime->Min%10) << 0);

    rBCDSEC = ((pTime->Sec/10)<< 4) | ((pTime->Sec%10) << 0);

    rRTCCON &= ~(1 << 0);      

}



void RTC_Init(const RTC_Time *pTime)

{

    unsigned char YearTens, YearOnes;

    rRTCCON |= (1 << 0);       

    YearTens = (rBCDYEAR & 0xf0)>> 4;

    YearOnes = (rBCDYEAR & 0xf)>> 0;

// 初始化RTC为2014,若已是2014认为时间设置已初始化

    if ((YearTens != 1) || YearOnes< 4 || YearOnes >= 8) {

        rRTCCON = (5<<5) |(0<<4) | (1<<0); // Tick 1hz

        rBCDYEAR =((pTime->Year%100/10) << 4 | (pTime->Year%100%10) << 0);

        rBCDMON =((pTime->Month/10) << 4) | ((pTime->Month%10) << 0);

        rBCDDATE = ((pTime->Day/10)<< 4) | ((pTime->Day%10) << 0);

        rBCDDAY = (pTime->Week+1);// Sunday = 0;

        rBCDHOUR =((pTime->Hour/10) << 4) | ((pTime->Hour%10) << 0);

        rBCDMIN = ((pTime->Min/10)<< 4) | ((pTime->Min%10) << 0);

        rBCDSEC = ((pTime->Sec/10)<< 4) | ((pTime->Sec%10) << 0); 

    }

    rRTCCON &= ~(1 << 0);  

}

RTC模块头文件RTC.h如下:

#ifndef __RTC_H__

#define __RTC_H__



#ifdef __cplusplus

extern "C" {

#endif



typedef struct RTC_Time {

    unsigned short Year;

    unsigned char Month;

    unsigned char Day;

    unsigned char Hour;

    unsigned char Min;

    unsigned char Sec;

    unsigned char Week;

} RTC_Time;



void RTC_SetTime(RTC_Time *pTime);

void RTC_GetTime(RTC_Time *pTime);

void RTC_Init(const RTC_Time *pTime);



#ifdef __cplusplus

}

#endif



#endif /*__RTC_H__*/

至此Fatfs模块磁盘底层IO调用接口全部移植完成。

5. 应用测试

移植好Fatfs后,即可在main中调用Fatfs中的api函数实现对sd卡读写文件的操作。这部分的测试内容main.c如下:

#include "s3c2416.h"

#include "UART0.h"

#include "ff.h"

#include "diskio.h"

#include "RTC.h"



const unsigned char TestData[] = {

"\tGCC下Fatfs的移植\r\n"

"象棋小子\t1048272975\r\n"

"对于固态存储器,其存储容量可以很大,往往需要一款文件系统对存储器用户数据\r\n"

"进行组织文件的管理。它对文件存储器空间进行组织和分配,负责文件的存储并对\r\n"

"存入的文件进行保护和检索。在嵌入式系统中,往往需要采用windows兼容的文件\r\n"

"系统,像相机的照片、视频监控、语音产品等,很多都需要从windows计算机上\r\n"

"提取资源或在windows计算机上进一步处理。Fatfs由于其开源免费,支持fat32,\r\n"

"受到了广泛的应用,笔者此处就s3c2416移植Fatfs,对sd卡进行读写访问作一个\r\n"

"简单的介绍。\r\n"

};



unsigned char TestData1[sizeof(TestData)];



int main()

{

    unsigned int i;

    FATFS fs;

    FIL file;

    FRESULT Res;   

    unsigned int ByteWrite, ByteRead;

    RTC_Time Time = {

        2014, 5, 22, 23, 00, 0, 5

    }; 



    RTC_Init(&Time);

    Uart0_Init();

    RTC_GetTime(&Time);

    Uart0_Printf("Time:%4d/%02d/%02d %02d:%02d:%02d\n\r", Time.Year,

                Time.Month, Time.Day,Time.Hour, Time.Min, Time.Sec);

    f_mount(&fs, "" ,0);  

/*  Res = f_mkfs("", 0,4096);

    if (Res != RES_OK) {

        Uart0_Printf("f_mkfserror %d", Res);

        while(1);

    }

*/

    Res= f_open(&file, "test.txt", FA_WRITE | FA_CREATE_ALWAYS);

    if (Res != RES_OK) {

        Uart0_Printf("Create filefailed\n\r");

        while(1);

    }

    Res = f_write(&file, (unsignedchar *)&TestData, sizeof(TestData), &ByteWrite);

    if (Res != RES_OK) {

        f_close(&file);

        Uart0_Printf("Write fileerror\n\r");

        while(1);

    }

    Uart0_Printf("WriteText.txt:\r\n%s\r\n", TestData);   

    f_close(&file);



    Res =  f_open(&file, "test.txt",FA_READ | FA_OPEN_EXISTING);

    if (Res != RES_OK) {

        Uart0_Printf("Open filefailed\n\r");

        while(1);      

    }

    Res = f_read(&file, (unsignedchar *)&TestData1, sizeof(TestData1), &ByteRead);

    if (Res != RES_OK) {

        Uart0_Printf("Read fileerror\n\r");

        while(1);      

    }

    Uart0_Printf("ReadText.txt:\r\n%s\r\n", TestData1);   

    f_close(&file);



    if (ByteRead != ByteWrite) {

        Uart0_Printf("Comparefailed\r\n");    

    }

    for (i=0; i<sizeof(TestData);i++) {

        if (TestData1[i] !=TestData[i]) {

            break;

        }

    }

    Uart0_Printf("Total compare%d, abort at i = %d", sizeof(TestData), i);

    while(1) {



    }

}

6. 附录

由于在GCC进行裸机开发,glibc并不适合,应通过arm-linux-gcc编译生成嵌入式库,如newlib,uclibc等。并在Makefile中更正嵌入式c库的路径,才能make。

Fatfs_GCC,GCC下Fatfs移植工程,更改Makefile中c库的路径,进行make即可。

http://pan.baidu.com/s/1gtXhG

Fatfs_MDK,MDK下Fatfs移植工程。

http://pan.baidu.com/s/1ntE30EX